阻塞非阻塞同步异步 IO
本文内容
1. IO 是什么？
IO 全称是 Input/Output，即输入输出，常见的 IO 有磁盘 IO，网路 IO 等。
当我们需要将内存中的数据持久化时，就需要向磁盘写数据，这个过程就是一次输出（从内存角度来说，将内存中的数据输出到磁盘，从磁盘角度来说则是输入了）；反之，我们需要把数据从磁盘中取出时，就是一个输入的过程。这时磁盘就是一个 IO 设备，负责将数据具体的写入和读出。
当我们需要跨主机进行通信时，一个常用的方法就是使用网络通信，而网络通信过程中需要借助网络 IO 设备，比如网卡、路由器、交换机等，它们负责数据流的输入和输出。
对于我们经常使用的应用程序来说，在程序需要使用 IO 操作时，往往只是调用 API，比如：
- 网络 IO：建立连接后，调用
send()发送数据，recv()接收数据； - 磁盘 IO：打开文件后，调用
write()写数据，read()读数据。
我们都知道，为了安全和稳定，操作系统将地址空间划分为用户空间和内核空间，只有 在内核空间才能访问 IO 设备。
程序都是跑在用户空间的，所以程序调用的这些 API 也只是操作系统提供出来的系统调用函数，所以 只能通过操作系统提供的系统调用来间接的完成 IO 操作。
正是因为用户和内核空间的划分，所以 程序一次 IO 调用，会经历两个过程：
- 内核收到程序的 IO 操作后访问 IO 设备，等待 IO 设备将数据准备好；
- 数据准备好后，内核需要将数据从内核空间拷贝到用户空间（一般读出来的数据会先放到缓冲区），此时程序才能读取到。
理解了 IO 和程序进行 IO 操作的流程，下面就来看看几种常见的 IO，它们分别是 阻塞 IO、非阻塞 IO、同步 IO 和异步 IO。
2. 阻塞和非阻塞 IO
2.1 阻塞 IO
阻塞 IO 是指在发起 IO 调用后，调用方会一直阻塞等待，直到接收到数据 才进行后续的操作。
这个阻塞等待过程包括：用户发起 IO 调用 -> 内核准备好数据 -> 内核将数据拷贝到用户空间 -> 用户接收到数据
2.2 非阻塞 IO
阻塞 IO 是发起系统调用后，一直阻塞直到数据返回，非阻塞 IO 与其相反，发起 IO 调用后，内核在未准备好数据时会立即返回，此时程序可以继续向下执行，只不过一般应用程序都会不断轮询内核，直到取到数据。
不断轮询并不是一种阻塞，毕竟进程还是一直在跑的（一直循环调用）。
需要注意的是，当轮询到内核已准备好数据时，内核需要将数据拷贝到用户空间，这个过程调用方还是阻塞的。
注：EWOULDBLOCK 是一个与非阻塞 I/O 操作相关的错误码，表示在进行非阻塞操作时，暂时无法立即完成该操作，需要进一步等待才能继续进行
3. 同步和异步 IO
前面讲的 阻塞/非阻塞 IO 描述的是调用者发起调用后，是否持续等待直到数据返回。而 同步/异步 IO 描述的是调用者发起调用后，是否需要继续参与这个过程。
其实前面的阻塞/非阻塞 IO，都是一种同步 IO，因为 调用者在发起调用后，还要继续参与这个过程。
非阻塞 IO 在内核拷贝数据时也是阻塞等待的。
而 异步 IO 在发起调用后，内核会立即返回（表示调用成功，并不是返回结果），接着 只需要内核完成整个操作（包括准备数据、拷贝到用户空间），完成后通知应用进程即可，调用者是不需要参与整个过程的。
可以发现，调用者发起调用后，在内核准备数据和拷贝数据的过程中都是不需要参与和等待的。
4. 总结
程序一次 IO 调用，会经历两个过程：
- 内核等待 IO 设备将数据准备好；
- 内核需要将数据从内核空间拷贝到用户空间。
阻塞/非阻塞 IO：
- 阻塞 IO 是发起系统调用后，一直阻塞直到数据返回；
- 非阻塞 IO 是发起 IO 调用后，内核在未准备好数据时会立即返回，此时程序可以继续向下执行，只不过一般应用程序都会不断轮询内核，直到取到数据。
阻塞/非阻塞 IO 都是一种同步 IO，都有一段等待阻塞的过程，在此过程调用者是需要一直参与的。
同步/异步 IO：
- 同步 IO 是 调用者在发起调用后，还要继续参与这个过程；
- 异步 IO 在发起调用后，调用者不需要参与整个过程，内核完成后通知应用进程即可。